극 자외선 노광에 따른 하층막 열 흡수로 인한 선폭과 오버레이의 변화

Abstract

극 자외선 (Extreme ultraviolet, EUV) 리소그래피 공정은 얇은 선폭을 구현하기 위해 사용되며, 13.5 nm 파장의 극 자외선을 이용하여 소자에 패턴을 형성하는 공정이다. 이전에 사용되던 193 nm 파장의 ArF 빛보다 파장이 약 14배 짧아져 선폭을 수 나노미터 수준으로 구현할 수 있게 되었다. 그러나 파장이 짧아짐에 따라 선폭이 얇아지면서 패턴 붕괴나 불완전한 노광 등의 문제가 발생하게 된다. 패턴은 기판인 웨이퍼 위에 빛에 반응하는 포토레지스트라는 물질을 도포하여 형성된다. 그러나 얇아진 선폭으로 인해 패턴 붕괴나 불완전한 노광과 같은 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 완화하기 위해 웨이퍼와 포토레지스트 사이에 하층막을 여러 층 추가한다. 하지만 극 자외선의 빛에너지로 인해 각 하층막에 열이 쌓이고 포토레지스트에 변형이 발생하는 문제가 생긴다. 이로 인해 국부적인 선폭 균일도 저하와 오버레이 에러와 같은 문제가 발생한다. 선폭이 수 나노미터로 매우 얇아지므로 몇 나노미터의 오차만으로도 소자의 품질에 큰 영향을 미치게 된다. 이러한 문제를 알아보기 위해 실제 반도체 소자에 사용되는 4가지 구조를 시뮬레이션을 통해 포토레지스트의 온도 변화와 x, y 및 z 축으로의 변형을 살펴보았다. 웨이퍼 위에 포토레지스트만 있는 경우와 비교하였을 때, 4가지 하층막 구조의 온도가 각각 다르게 상승하였고 각 축에 대한 변형 또한 다르게 발생하였다. 이때, 포토레지스트의 두께가 모두 다른 4가지 구조의 포토레지스트 두께를 통일하여 포토레지스트에서 흡수되는 열을 동일하게 설정한 후 확인한 결과, 온도의 변화는 없었지만 각 축으로의 변형에는 차이가 나타났다. 이를 통해 하층막의 유무와 구조에 따라 포토레지스트의 온도와 변형에 차이가 난다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 포토레지스트의 두께에 따라서도 온도와 변형에 차이가 나타날 수 있다는 것을 확인하였다. 추가적으로 하층막의 층수와 두께에 따른 영향을 확인하기 위해 8 층의 하층막이 포함된 구조를 기반으로 연구를 진행하였다. 하나와 두 개의 하층막을 쌓았을 때는 온도와 변형에 차이가 없었지만, 세 개의 층에서부터는 차이가 나타났다. 또한, 세 개의 하층막을 쌓은 구조에서는 온도와 변형이 상대적으로 크게 증가하였다. 하층막 바로 아래에 위치한 물질의 물성을 비교해본 결과, 세 번째 하층막의 경우, 열전도도가 작고 열팽창 계수와 비열이 큰 것을 확인할 수 있었다. 이로 인해 열전도가 원활하게 이루어지지 않고 열팽창으로 인한 변형이 크게 나타나는 것으로 예상된다. 하지만, 한가지 경우만으로 원인을 단정지을 수 없기 때문에 추가적인 연구가 진행되어야 할 것이다. 이 연구를 통해 하층막이 패턴을 형성하는 포토레지스트에 미치는 영향을 확인하였다. 연구는 이상적인 냉각 조건 하에 진행되었지만 하층막에 의해 여전히 포토레지스트의 온도가 상승하고 변형이 나타난다는 결과가 나타났다. 현재 10 nm 이내의 패턴 구현은 물론, 더욱 미세한 패턴을 구현하여 집적도를 높이기 위해서는 하층막의 열응력 문제에 대한 연구가 지속적으로 진행되어야 할 것이다.